Albert Einstein played a key role in launching quantum mechanics through his theory of the photoelectric effect but remained deeply bothered by its philosophical implications. And though most of us still remember him for deriving E=MC^2, his last great contribution to physics was actually a 1935 paper, coauthored with his young colleagues Boris Podolsky and Nathan Rosen. Regarded as an odd philosophical footnote well into the 1980s, this EPR paper has recently become central to a new understanding of quantum physics, with its description of a strange phenomenon now known as entangled states.
Albert Einstein, fotoelektrik etki kuramıyla kuantum mekaniğinin oluşumunda kilit rol oynamış, fakat bunun felsefik sonuçları konusunda çok rahatsız olmuştur. Pek çoğumuz onu hâlâ E=mc^2 ile hatırlasak da, fiziğe yaptığı son büyük katkı, genç meslektaşları Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile birlikte yazdığı 1935 tarihli bir makale ile olmuştur. 1980'ler için bile son derece garip bir felsefik dipnotu olan bu EPR makalesi, şimdilerde dolaşık durumlar olarak bilinen tuhaf bir görüngüyü tanımlaması dolayısıyla, son zamanlarda kuantum fiziğinin anlaşılmasında merkeze oturmuştur.
The paper begins by considering a source that spits out pairs of particles, each with two measurable properties. Each of these measurements has two possible results of equal probability. Let's say zero or one for the first property, and A or B for the second. Once a measurement is performed, subsequent measurements of the same property in the same particle will yield the same result. The strange implication of this scenario is not only that the state of a single particle is indeterminate until it's measured, but that the measurement then determines the state.
Makale, parçacık çiftleri yayan bir kaynağı ele alarak başlar. Her parçacığın iki ölçülebilir özelliği vardır. Her ölçümün de eşit olasılıklı iki mümkün sonucu vardır. İlk özellik için, ya sıfır ya da bir diyelim. İkincisi için de, ya A ya da B. Bir ölçüm gerçekleştirildiğinde, aynı parçacıktaki aynı özelliğin sonraki ölçümlerinde de aynı sonuç elde edilir. Bu senaryonun işaret ettiği tuhaflık hem tek bir parçacığın durumunun ölçülene dek belirsiz kalması, hem de ölçümün tam o anda durumu belirliyor olmasıdır.
What's more, the measurements affect each other. If you measure a particle as being in state 1, and follow it up with the second type of measurement, you'll have a 50% chance of getting either A or B, but if you then repeat the first measurement, you'll have a a 50% chance of getting zero even though the particle had already been measured at one. So switching the property being measured scrambles the original result, allowing for a new, random value.
Dahası, ölçümler birbirlerini de etkiler. Eğer bir parçacığın durumunu 1 olarak ölçerseniz, sonra da diğer tür bir ölçüm yaparsanız, A ya da B elde etme olasılığınız %50'dir. Fakat ardından ilk ölçümü tekrarlarsanız, sıfır bulmak için %50'lik bir olasılığınız olur; parçacık zaten 1 durumunda ölçülmüş olmasına rağmen. Yani ölçülen özelliği değiştirmek, başlangıçtaki sonucu değiştirmekte, yeni bir rasgele sonuca izin vermektedir.
Things get even stranger when you look at both particles. Each of the particles will produce random results, but if you compare the two, you will find that they are always perfectly correlated. For example, if both particles are measured at zero, the relationship will always hold. The states of the two are entangled. Measuring one will tell you the other with absolute certainty.
İki parçacığa birden bakarsanız durum daha da tuhaflaşır. Her bir parçacık rasgele sonuç üretecektir; fakat eğer ikisini karşılaştırırsanız, daima kusursuz bir bağlaşıklık içinde olduklarını bulursunuz. Örneğin, her iki parçacık da sıfır ölçülmüşse, ilişki daima korunur. İkisinin durumları dolaşıktır. Birini ölçmek, diğerinin durumunu mutlak bir kesinlikle verecektir.
But this entanglement seems to defy Einstein's famous theory of relativity because there is nothing to limit the distance between particles. If you measure one in New York at noon, and the other in San Francisco a nanosecond later, they still give exactly the same result. But if the measurement does determine the value, then this would require one particle sending some sort of signal to the other at 13,000,000 times the speed of light, which according to relativity, is impossible. For this reason, Einstein dismissed entanglement as "spuckafte ferwirklung," or spooky action at a distance. He decided that quantum mechanics must be incomplete, a mere approximation of a deeper reality in which both particles have predetermined states that are hidden from us. Supporters of orthodox quantum theory lead by Niels Bohr maintained that quantum states really are fundamentally indeterminate, and entanglement allows the state of one particle to depend on that of its distant partner.
Ancak bu dolaşıklık, görünüşe göre Einstein'ın ünlü görelilik kuramına meydan okumaktadır. Çünkü parçacıklar arası uzaklığı sınırlayan hiçbir şey yoktur. Eğer birini öğle vakti New York'ta ölçerken, diğerini bir nanosaniye sonra San Francisco'da ölçerseniz, yine tam olarak aynı sonucu verirler. Ama eğer değeri belirleyen ölçüm ise, o zaman parçacıklardan birinin diğerine bir çeşit sinyal göndermesi gerekir, hem de ışık hızından 13.000.000 kat daha hızlı biçimde -ki bu da görelilik kuramına göre imkansızdır. Bu nedenle Einstein dolaşıklığı bir "spuckafte ferwirklung" yani "uzak mesafeden hayaletimsi etki" olarak elemiştir. Her iki parçacığın da bizim bilemediğimiz önceden belirli durumlara sahip olduğu daha derin bir gerçekliğin varolduğu ve eksik olan kuantum mekaniğinin, bu gerçekliğin bir yaklaştırması olduğu kanısına varmıştır. Niels Bohr öncülüğündeki geleneksel kuantum kuramı destekçileri, kuantum durumlarının gerçekten de temelden belirsiz olduğunu ve bir parçacığın durumunun, uzaktaki partnerininkine bağlı olmasına dolaşıklığın izin verdiğini savunuyordu.
For 30 years, physics remained at an impasse, until John Bell figured out that the key to testing the EPR argument was to look at cases involving different measurements on the two particles. The local hidden variable theories favored by Einstein, Podolsky and Rosen, strictly limited how often you could get results like 1A or B0 because the outcomes would have to be defined in advance. Bell showed that the purely quantum approach, where the state is truly indeterminate until measured, has different limits and predicts mixed measurement results that are impossible in the predetermined scenario. Once Bell had worked out how to test the EPR argument, physicists went out and did it.
30 yıl boyunca fizik bu çıkmazda kaldı, ta ki EPR tartışmasını sınamak için iki parçacığın farklı ölçümleri ile ilgili durumlara bakmak gerektiği John Bell tarafından anlaşılana kadar. Einstein, Podolsky ve Rosen tarafından tutulan yerel gizli değişken kuramları 1A ve B0 gibi çıktıları ne sıklıkta alabileceğinizle kesin olarak kısıtlanmıştı; çünkü çıktıların önceden tanımlanmış olması gerekti. Bell şunu gösterdi: Ölçülene dek durumun gerçekten belirsiz kaldığı katıksız kuantum yaklaşımının farklı limitleri olup karışık ölçüm sonuçları öngörür -ki bu, önceden belirlenmiş bir senaryoda imkansızdır. EPR tartışmasının nasıl sınanacağı Bell tarafından ortaya çıkarılınca fizikçiler bir adım daha atıp bunu denedi.
Beginning with John Clauster in the 70s and Alain Aspect in the early 80s, dozens of experiments have tested the EPR prediction, and all have found the same thing: quantum mechanics is correct. The correlations between the indeterminate states of entangled particles are real and cannot be explained by any deeper variable. The EPR paper turned out to be wrong but brilliantly so. By leading physicists to think deeply about the foundations of quantum physics, it led to further elaboration of the theory and helped launch research into subjects like quantum information, now a thriving field with the potential to develop computers of unparalleled power.
70'lerde John Clauster ve 80'lerin başlarında Alain Aspect ile başlayarak EPR öngörüsü düzinelerce deneyle sınandı ve hepsi de aynı şeyi buldu: Kuantum mekaniğinin doğru olduğunu. Dolaşık parçacıkların belirsiz durumları arasındaki ilişkiler gerçek ve bunu daha derinlerdeki bir değişkenle açıklayamayız. Görünüşe göre EPR makalesi yanlış ama dahiyane bir biçimde. Fizikçileri kuantum fiziğinin temelleri üzerine daha derin düşünmeye iterek kuramın geliştirilmesini sağlamış ve kuantum bilgi gibi dalların araştırılmasına zemin hazırlamıştır. Bu dal şimdilerde ilerlemekte ve benzersiz güçte bilgisayar geliştirme potansiyeli taşımaktadır.
Unfortunately, the randomness of the measured results prevents science fiction scenarios, like using entangled particles to send messages faster than light. So relativity is safe, for now. But the quantum universe is far stranger than Einstein wanted to believe.
Ne yazık ki, ölçüm sonuçlarının rasgeleliği dolaşık parçacıkları kullanarak ışıktan hızlı iletiler göndermek gibi bilim kurgu senaryoları engelliyor. Yani şimdilik görelilik güvende. Ancak kuantum evreni, Einstein'ın inanmak istediğinden çok daha tuhaf.